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PDC钻头单齿切削天然裂缝地层断裂机理

发布时间:2021-08-08 00:14
  为研究PDC钻头作用下地层断裂机理,以单齿切削含有天然裂缝地层为研究对象,基于弹性力学理论,建立单齿切削下地层应力分布模型,作为裂缝的远场应力;结合切削齿作用力角度和旋转极角,确定作用于裂缝表面的正应力和裂缝倾角,以Ⅱ型起裂方式为断裂模式,给出在两种裂缝表面正应力条件下裂缝尖端的应力强度因子和起裂角模型;通过扩展有限元数值模拟,分析单齿切削下裂缝尖端的起裂特征。结果表明:作用于裂缝的远场应力比例因数随作用力角度和旋转极角之和呈抛物线形式变化;当切削齿作用力方向与地层裂缝方向一致时,裂缝尖端的应力强度因子最大;裂缝尖端的起裂角也随旋转极角变化呈抛物线形式变化。数值模拟结果与理论计算结果有较好的一致性。 

【文章来源】:东北石油大学学报. 2020,44(04)北大核心

【文章页数】:10 页

【部分图文】:

PDC钻头单齿切削天然裂缝地层断裂机理


单齿切削地层受力示意

受力图,地层,受力,弹性力


单齿切削地层简化受力示意

受力图,裂缝,岩石,受力


以地层含有一个裂缝的微元为分析对象,假设地层微元含有的闭合裂纹长度为2a,裂缝与垂直方向的夹角为裂缝倾角β,裂缝尖端的起裂角为θ。建立局部直角坐标系,以裂缝中心O为坐标系原点,裂缝方向为x轴,垂直于裂缝方向为y轴(见图3)。此外,旋转极角φ由裂纹所在位置决定,是裂缝与作用力之间的夹角。σ1为裂缝受到的远场垂直方向的主应力,σ2为水平方向的主应力,且λ=σ2/σ1<1。由闭合裂纹受远场应力(式(2-4))可知,裂缝受远场主应力分别为σx和σy,其大小和切削齿作用力角度及旋转极角有关,随裂缝倾角改变,σx和σy改变,需要根据α+φ决定作用于裂缝表面的垂直方向主应力:

【参考文献】:
期刊论文
[1]基于离散元的岩石单轴压缩实验模拟及断裂特性分析[J]. 李玮,孟凡海,凌鑫,李思琪,陈子贺.  石油化工高等学校学报. 2019(04)
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[3]冲击作用下岩石裂纹长度预测模型及数值模拟研究[J]. 邓勇,陈勉,金衍,卢运虎,邹代武.  石油钻探技术. 2016(04)
[4]Shear strength criteria for rock,rock joints,rockfill and rock masses:Problems and some solutions[J]. Nick Barton.  Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2013(04)
[5]基于单齿侵入理论的牙轮钻头钻速方程[J]. 李玮,郑浩然,开月,张红卫,王茂盛,马旭,赵敏含.  东北石油大学学报. 2013(01)
[6]球齿滚刀作用下岩石裂纹的数值模拟与试验观测[J]. 谭青,张魁,周子龙,夏毅敏.  岩石力学与工程学报. 2010(01)

博士论文
[1]岩石破裂过程的扩展有限元法研究[D]. 师访.中国矿业大学 2015



本文编号:3328813

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